CN1005933B - 具有一个非球面的单透镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有一个非球面的单透镜，该透镜用来在透明记录载体基片的信息面上产生受衍射限制的扫描辐射光点，即由辐射光束穿过基片而形成该辐射光点，基片的厚度约为１．２ｍｍ。本发明还涉及一种使用上述透镜而制成的光学扫描装置。

Description

具有一个非球面的单透镜

本发明涉及具有一个非球面的单透镜，该透镜用来在透明记录载体基片的信息面上产生受衍射限制的扫描辐射光点，即由辐射光束穿过基片而形成此辐射光点，基片的厚度约为1.2mm。本发明还涉及一种使用上述透镜而制成的光学扫描装置。

此外，“厚度约为1.2mm”应被理解为1.2±0.3mm。

荷兰专利申请号81.03323（PHN10101）公开了一种单透镜，它的一侧为球面而另一侧为非球面，简称之为单侧非球面透镜，该透镜具有一个较大的受衍射限制范围和一个比较大的数值孔径（N.A.＞0.25）。这种透镜的设计是基于对下述情况的考虑：如果要求有较大的数值孔径，则由于可以用更高级的

差作补偿而使三级

差可故意忽略，以致于单侧非球面透镜仍可具有较大的受衍射限制范围。

当单侧非球面透镜用作光学扫描装置中的物镜而借助该扫描装置对光学记录载体上的信息面进行读出或写入时，尤其需要有较大的数值孔径和较大的受衍射限制范围。此信息面必须以瞬时的辐射光点来进行扫描，其直径为1μm的数量级。但要求此物镜有较大的受衍射限制范围，以便容许在径向偏离了物镜光轴的那些点上仍能够形成轮廓清晰的辐射光点，这样作之所以需要，是为了让信息面上辐射光点相对信息轨迹图案的少量位置偏差能够得到校正。

为了对光记录载体进行读出和写入，比较有利的做法是让在信息面上聚焦的光束穿过透明的基片。此基片本身有一定的厚度，故它可使尘粒、指纹、细屑片及其它类似微粒与信息面相隔一定的距离，从而起到一个保护层的作用，因此可保证记录和读出的过程不受影响。

按照荷兰专利申请号NO.81.03323（PHN10101）的单侧非球面透镜，是被设计成在自由空间成象的，因此它难以适应通过记录载体基片后对信息面读出或写入的要求。

本发明的目的是提供一种非常适合上述要求的具有一个非球面的单透镜。本透镜的设计是基于对下列事实的考虑，即在经过透明平板成象的情况下，由此平板产生的球差必须在该透镜的表面曲率及厚度中予以考虑。

按照本发明所述的单侧非球面透镜，其特征在于它的形状因数C₁/C₂和透镜因数F＝d/（n-1）f表现有如下关系：

若透镜的放大倍率在M＝0和M＝-0.222之间，则在不同的数值孔径N.A.和不同的透镜材料折射率n下，对应放大倍率的a、b、c系数及透镜因数F，可由下表给出（见下页）₁。

其中，d为透镜的轴向厚度;

f为透镜的焦距;

C₁为非球面的近轴曲率;

C₂为透镜另一表面的曲率。

透镜的轴向厚度是沿透镜光轴所测的厚度。非球面的近轴曲率是该面与光轴相交处的曲率。

非球面可以用近轴曲率来明确地加以定义，非球面的其余各点按符合某一象差判据计算出来，以使该透镜必须消除球面象差，此即意味着，从轴上物点至相应的轴上象点的所有光线的光程长度是一样的。

通常不可能找到所需非球面座标的解析方程式。但这问题可借助计算机来解决，使光程长度相等或者实际上相同，即以迭代法使离光轴不同高度的一组光线的所有成象光线都能经过某一点。

为了减少计算时间，要么有可能就真可能性以解析法对此问题作出详尽描述，要么有可能仅实现此最后一步，具体说来就是求超越方程的数字解。可以参见物理学会会刊61494（1948）E.Wolf所著的文章。

这些方法最后能够产生一组所要求非球面的离散点。若将这些点相连即可画出所要求的近似曲线，该曲线可用一列展开式来表示，那么这列展开式的系数即可明确地确定出非球面来。

按照本发明所述的单侧非球面透镜的最佳方案为放大倍率M＝0，焦距f＝4.5mm，数值孔径N.A.＝0.45。而其进一步的特征为：不是非球面的表面为平面，而且其非球面的近轴曲率半径R满足以下要求：

d/R＝-5.8n²+23.7n-22.9

按照本发明所述的另一个单侧非球面透镜的最佳方案为放大倍率M＝0，焦距f＝4.5mm和数值孔径N.A.＝0.50。而其进一步的特征为：不是非球面的那侧表面为平面，而且其非球面的近轴曲率半径R满足以下要求：

d/R＝-5n²+20.5n-19.8

令人振惊的是发现了以下事实：一个以平面替代了球面的单侧非球面透镜，也能满足既有大的数值孔径又有大的受衍射限制范围的要求。

与双侧非球面透镜相比，单侧非球面透镜具有很多优点，在最初提到的采用挤压或模压技术制造透镜中它只需模制一个非球面，而平面-非球面型透镜则显现出更多的优点。的确，平面的加工要比球面容易得多，而且平面-非球面型透镜的非球面很少可能出现偏心的情况，在装配中也仅需对准其角度位置而已。

需要指出的是，具有一侧为非球而另一侧为平面的单透镜的设计思想以前也曾提出过。例如可以参见美国专利说明书NO.2，530，397。此说明书描述了一种透镜，其前表面是平面而其背面形状为二次生成面。但该透镜必须配合以离透镜某个距离处有一孔径光阑来使用。而关于非球面的主要目的，如使透镜无象散、使透镜消球差或彗差均未予以讨论。再则，按照美国专利说明书NO.2，530，397的透镜也只有一个很小的数值孔径。第二个例子是由德国专利申请NO.1，278，131提出的。该申请业已公开。在德国专利申请的说明书中提出保护的权项为一个一侧为非球面而另一侧为球面的透镜。但其中也曾提到具有平面的透镜其球差可以通过将其另一个表面作成非球面来加以消除，只不过仍然宣称只对于数值孔径小的透镜才有可能实现。

已知的各种透镜未曾有过通过透明基片来成象的结构设计，而且也无有大的数值孔径与较大的受衍射限制范围相结合的特征。两者相结合的特征是由本发明所作的奉献。本发明尤其适合读出或写入用的光记录载体作为读出或写入物镜使用。大多数的读出设备，即那些作为记录载体的读出设备，都含有录象或录音节目供应于消费市场。这也就意味着它们应该是越便宜越好，要尽量作到使所含的光学部件少，并且容易装配。

本发明的另一目的是提供一种光学扫描装置。按照本发明所述的光学扫描装置，它包括一个辐射光源、一个准直透镜和一个能将辐射光源发出的光束聚焦而在透明记录载体基片的信息面上形成辐射光点的物镜，其特征在于：其中的物镜包含有一个符合上述技术要求并具有放大倍率M＝0的单透镜，而且该物镜的非球面是直接朝着辐射光源的。

光学扫描系统的另一个方案为，包括一个辐射光源和一个聚焦用的物镜，该物镜能将辐射光源发出的发散光束聚焦以便在透明记录载体基片的信息面上形成辐射光点，其特征在于：其中的物镜包含有一个符合上述技术要求并具有放大倍率M＝-0.222的单透镜，而且该物镜的非球面是直接朝着辐射光源的。

此实施例并未使用分开了的准直透镜，但其准直透镜的作用和物镜的作用被合在一个具有非球面的透镜中了，该透镜所起的这种功能的结合作用达到了惊人的程度。

为使物镜具有足够大的受衍射限制范围，其非球面直接对着辐射光源。特别是若透镜包含有玻璃体而真曲面上被附着一层塑料层这一点更是独到之处。当然塑料比玻璃来得软，如把塑料层作为扫描装置的外侧表面则会因此而更容易遭到损伤，但对用户来讲物镜是比较容易受到损伤的，例如使用者想为物镜除尘时。

以下本发明将通过实例并参考附图加以详细说明，附图中，

图1为本发明所述透镜横截面图，透镜的放大倍率M＝0，所示的辐射光路是通过上述透镜而到达成象面的;

图2为本发明所述透镜横截面图，透镜的放大倍率M＝-0.222，所示的辐射光路通过该透镜;

图3为本发明所述平面-非球面型透镜横截面图;

图4和图5表示包含有玻璃体及塑料层的单侧非球面透镜;

图6和图7表示本发明所述的光学扫描装置。

在图1中，按照本发明所述的单侧非球面透镜10，将平行光束b聚焦，所谓平行光束即来自无限远（S＝-∞）物体的光束，该光束透过透明基片被聚焦在记录载体16的信息面18上。图中仅表示出平行于光轴O-O′的光束b的边缘光线。此处的边缘光线应被理解为正好通过光瞳11的光束。此边缘光线首先被非球面12折射，透过轴向厚度为d的透镜10，然后被球面13进一步向光轴折射，继而通过基片17的前表面进行折射。来自光束b的光线最后交会在信息面18的光轴上而由此信息面18构成单侧非球面透镜的象平面。从透镜表面13到象平面18的距离为S′。光瞳的直径随后也就是透镜10的有效直径，被设计为2Ymax。受衍射限制的象或者辐射光点V，在象平面18上有较小的直径。光轴O-O′与由透镜表面13折射后形成的边缘光线之间的夹角为α。数值孔径N.A.则正比于Sinα。

非球面12是用近轴曲率C₁来定义的，即该表面与光轴交点15处的曲率，而球面13的曲率为C₂。

对于具有大的受衍射限制范围的透镜而言，其中的三级象场彗差可以最佳方式由更高级的彗差来作补偿。其中的象差只是象散系数比C₂/C₁，称之为形状因数，可由下式给出：

而在本实施例中的放大倍率M＝0，对于不同的透镜数值孔径N.A.和不同的透镜材料折射率n来说，系数a，b，c以及透镜因数F＝d/（n-1）f可由下表给出：（见9页）

上表各值均为有效，例如对于厚度ds＝1.2mm，折射率ns约在1.48～1.7范围内的塑料基片来说。

在上述类型的单侧非球面透镜中，其形状因数为：

折射率n＝1.75;轴向厚度d＝3.7mm。透镜10和象平面18之间的距离S′＝3.05mm;透镜的有效直径2Ymax＝4.1mm。光瞳落在表面12的位置上。象平面18上面辐射光点V的半强度宽度（FWHM）接近1μm，而其受衍射限制范围半径为100μm。

当放大倍率M＝0的如图1所示单侧非球面透镜被用于光学扫描装置中作为物镜时，准直透镜必须安装在此物镜前头。前已指出，单侧非球面透镜可以实现由辐射光源产生的发散光束通过它聚焦而形成尺寸非常小的受衍射限制辐射光点，以致于可以省去准直透镜，这也就意味着该光学扫描装置的成本可大大降低。

图2表示在放大倍率不为零的情况下通过透镜的辐射光路。图中的辐射光源19例如可以是半导体二极管激光器。由此光源发出的发散光束b′，所表示的仅是截取的一部分边缘光线，它依次地被非球面12、球面13和基片17的前表面折射，并在信息面18上聚焦成为一个受衍射限制的光点V，其半强度宽度约为1μm。

上述形状因数c₂/c₁和透镜因数F之间的关系，也适用于此透镜，只是放大倍率M＝-0.222，而且系数a，b，c及透镜因数F值要由下表给出：（见10页）

这些数值对于厚度d_s＝1.2mm，折射率大约在1.43～1.7范围内的基本也是有效的。

在此透镜方案中的形状因数为：

;

透镜材料的折射率n＝2.0;轴向厚度d＝3.2mm。透镜10与象平面18之间的距离约为3.9mm。透镜的有效直径2Ymax为4.4mm。象平面18上面辐射光点V的半强度宽度约为1μm，而其受衍射限制范围半径约为200μm。

应当指出的是，通过查表本发明的M＝0和M＝-0.222的两个原理性的实施例是确定了的。然而对于M＝0和M＝-0.222之间的各种M值和特殊的n值来说，其相应的a、b、c值和F值，能够通过在此两表中对于此特殊的n值给定的两组数值之间线性内插的方法得到。举例来说，对于放大倍率M＝-0.15的透镜而言，当N.A.＝0.40;n＝1.50时，a将接近为-0.46;b接近为+0.63;c接近为-0.45。进一步说来，在每个表中即对于固定的M值来说，当n值不同于表中的三个n值时，通过表中所列三组数值之间进行二次内插，便可以得到相应的a、b、c和F值。

上述两表中所列a、b、c和F值均为理想值。实际上允许这些数据有点小偏差，只要这些偏差的总结果能使c₂/c₁比的变化小于大约0.03即可。

当按照M＝0和M＝-0.222的两个表来设计透镜时，所作的假设是基片厚度为1.2mm。然而所述透镜也可以与记录载体一起用于读出或者记录，其基片的厚度接近于要比1.2mm大或小0.3mm。若超出这个限度，基片厚度出现增厚或减薄的情况，则可以通过将透镜的轴向厚度减小或增大来加以补偿。比如基片厚度偏离了1.2mm，则可以对透镜的焦距作相应的换算，意即新的焦距f′可由下式给出：

f′＝fd′/1.2

其中，d′-新的基片厚度;

f-对应于基片厚度d＝1.2mm时的焦距。

若基片厚度减薄或增厚，则透镜的焦距应相应地减小或增大。对于这里介绍的各种透镜来说，其焦距适合在4～5mm范围内。

本发明所述的单侧非球面透镜，在制造和装配上是非常有利的，其不为非球面的那侧表面为平面，称之为平面-非球面透镜。图3给出了通过该透镜的辐射光路，它与准直透镜一起使用，其解释可参照图1的解释，此处不再作进一步说明。

图2中表示的单侧非球面球面透镜结构，也可用平面-非球面型透镜来代替。

这里所指的平面-非球面型透镜，也就是前面由两个表限定的单侧非球面透镜的变型。的确，如将系数a、b、c的各种规定值、折射率n和焦距f等代入形状因数c₂/c₁的方程式中，则可以在X-Y座标平面上得出很多曲线，其中以透镜厚度d画在X轴上，形状因数c₂/c₁沿Y轴画出。这些曲线的某些曲线，尤其是那些折射率n较高的曲线，将与X轴相交。在此交点位置上球面的曲率为零，换而言之该表面应当是平面。

平面-非球面型透镜10是以近轴曲率半径R、轴向厚度d和折射率n来限定的，为清晰起见在图3中故意将等轴曲率半径R画成略偏离光轴O-O′，但在实际上应与光轴相重合。对于放大倍率为零且受衍射限制范围比较大的平面-非球面型透镜来说，其三级彗差可以用高级彗差作补偿而达到最佳状况，而且只显示一定程度的象散，而作为折射率n函数的d/R之比，必须满足本发明规定的要求。这种要求特别要随透镜的数值孔径和焦距而定。对于焦距f＝4.5mm，数值孔径N.A.＝0.45的透镜来说，此要求就是

d/R＝-5.8n²+23.7n-22.9;

对于焦距f＝4.5mm，数值孔径N.A.＝0.50的透镜而言，此要求就是

d/R＝-5n²+20.5n-19.8

上述表达式中d/R的偏差接近0.05数量级的平面-非球面型透镜，仍然是可以接受的。

表面12，可以由用来确定交点15的位置及其与表面12交会处曲率半径的近轴曲率半径所给出的数值以及对透镜的消球差要求明确地加以确定。正如前面已经阐述过的那样，以点15为原点按照某种判据来计算出表面12的其它各点也完全是可能的，此判据就是：由光轴OO′上的物点S到光轴OO′上相应的象点S′的所有光线的光程长度必须等于经过点15的光程长度。这种消球差校正方法是公知的，譬如可以参见E.Wolf，Proc.Phys.Soc.62（1948）494。

在一种符合本发明要求的平面-非球面型透镜方案中，折射率n＝1.83196;轴向厚度d＝3.50mm;近轴曲率半径R＝3.75mm。此透镜的焦距为f＝4.5mm;数值孔径N.A.＝0.45。透镜10与象〈＆＆〉实施例示意图。该读出装置包括一个管形壳体30，其中安装有二极管激光器31、分束棱镜32、准直透镜33和一个平面-非球面型透镜做的物镜34。标号16表示一个圆盘形记录载体径向截面的很小一部分。现有情况下的信息结构是辐射-反射型的，位于记录载体的上方并含有沿信息轨迹36排列的许多信息区域（图中未表示）。

信息结构被由二极管激光器31提供的读出光束b扫描。准直镜使发散的光束准直成具有让物镜34光瞳准确充满同样截面的平行光束。物镜则在该信息结构上形成受衍射限制的辐射光点V。

读出光束被信息结构反射，并且当记录载体相对该读出光束移动时，此光束会按照记录在记录载体上的信息受到时间调制。受过调制的光束与从二极管激光器来的发射光束通过棱镜32分束，而后射向辐射敏感探测系统39。由此系统提供受到记录载体上所含信息调制的电信号。

为了产生一种调焦-误差信号以作为物镜34聚焦平面和信息结构平面之间偏离大小和偏离方向的指示，要将一个屋脊形前缘的棱镜38安排在棱镜32的出射表面上，而且要使探测系统39包括例如四个探测器。此屋脊形前缘棱镜会将反射后的光束分成两个分束b₁和b₂，以便在探测系统的平面上形成两个辐射光点V₁和V₂。这些辐射光点中的每一个光点都同两个探测器相连。有关调焦误差探测系统和信息结构标记读出的详细情况，可参见英国专利申请NO.2，107，483（PHV10173），该申请已向公众公开。

管体30可如图所示安装在滑板40上，而滑板40可如箭头41所示在直径方向上移动，以使所有的信息轨迹36均可被依次扫描。除了物镜34的外表面35之外的所有元件均已装配完好，以使用户不会触及它们。透镜34的外表面是用玻璃做的，因而具有较高的防划伤性能，以致于用户可以作清洁擦拭而不会有损伤的风险。

另一方面也可以将平面-非球面型物镜装在壳体30的外面。这可能是一种为了消除光迹误差需要让物镜必须能够在直径方向上移动几十个微米数量级的较小距离的情况。为此按照本发明设计的透镜范围足够大。另一种可能性是将平面-非球面型透镜安排成使其能在管体30内作径向移动。在图6表示的实施例中，对辐射光点V在直径方向的细调，是通过径向移动管体30来实现的。

图7表示光学扫描装置的另一个实例，所使用的是外侧表面为球面的单侧非球面透镜，为的是将发散光束b′聚焦以便在信息结构上形成受衍射限制的辐射光点。此扫描装置的功能与图6表示的扫描装置有点类似。图7所示扫描装置的优点在于可省去一个透镜，这对于打算批量生产的扫描装置是非常重要的。

Claims (16)

1、具有一个非球面的单透镜，用来在透明的记录载体基片的信息面上形成一个受衍射限制的扫描辐射光点，此基片可使形成辐射光点的辐射光束透过，具其厚度约为1.2mm，该透镜的特征是，其形状因数c₂/c₁与透镜因数F＝d/（n-1）f之间具有以下关系：

若透镜的放大倍率在M＝0和M＝-0.222之间，则在不同的数值孔径N.A.和不同的透镜材料折射率n下，对应放大倍率的a、b、c系数值及透镜因数F，可由下表给出（见下页），

其中，d为透镜的轴向厚度;

f为透镜的焦距;

c₁为非球面的近轴曲率;

c₂为透镜另一表面的曲率。

2、如权利要求1所述的单透镜，当其放大倍率M＝0，数值孔径N.A.＝0.45和焦距f＝4.5mm时，其特征在于，不是非球面的表面为平面，而且其非球面的近轴曲率半径R满足以下要求：

d/R＝-5.8n²+23.7n-22.9

3、如权利要求1所述的单透镜，当其放大倍率M＝0，数值孔径N.A.＝0.50和焦距f＝4.5mm时，其特征在于，不是非球面的那侧表面为平面，而且其非球面的近轴曲率半径R满足以下要求：

d/R＝-5n²+20.5n-19.8

4、如权利要求1，2或3所述的单透镜，其特征在于，该透镜是由玻璃体形成的。

5、如权利要求1，2或3所述的单透镜，其特征在于，此透镜包括一个玻璃体，玻璃体的一侧表面上附有一层具有非球面外形轮廓的透明塑料。

6、一种光学读出和/或写入装置，包括一个辐射光源、一个准直透镜和一个能把辐射光源发出的光束聚焦以便在透明记录载体基片的信息面上形成辐射光点的物镜，其特征在于，此物镜包含有上述任一权项要求保护的单透镜，其放大倍率M＝0，而且物镜的非球面是直接朝着辐射光源的。

7、一种光学读出和/或写入装置，包括一个辐射光源和一个能把辐射光源发出的发散光束聚焦以便在透明记录载体基片的信息面上形成受衍射限制辐射光点的物镜，其特征在于，此物镜包含有上述任一权项要求保护的单透镜，其放大倍率M＝0，而且物镜的非球面是直接朝着辐射光源的。

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